Мінмін з ринку автомобільної культури має власне невелике коло в галузі автомобільного споживання. Що їх найбільше цікавить у галузі водневої енергетики, так це те, чи мають автомобілі на паливних елементах якісь переваги? Коли він стане таким популярним, як автомобілі з літій-іонними акумуляторами? Це стаття для споживачів.


Оскільки я багато років працював у галузі автомобільної культури, після переходу на індустрію водневої енергетики я все ще буду говорити на теми, пов’язані з автомобілями, з друзями навколо мене, тому я згадаю перспективи розвитку автомобілів на паливних елементах у майбутньому автомобілі ринок час від часу. Однак, оскільки транспортні засоби на літієвих акумуляторах є відносно популярними на сьогоднішньому ринку, коли я згадую транспортні засоби на паливних елементах, багато друзів все ще схильні плутати концепцію транспортних засобів на паливних елементах із принципом роботи транспортних засобів на літієвих акумуляторах. У відповідь на це явище, цього разу ми коротко поговоримо про принцип роботи транспортних засобів на паливних елементах і відповідних основних компонентів, а також про відмінності між ними та двигунами внутрішнього згоряння та літієвими батареями.

Паливні елементи не є «батареями».

Так, строго кажучи, хоча паливні елементи називаються батареями, насправді вони не є «батареями», які ми розуміємо виключно як накопичувачі енергії, як свинцево-кислотні батареї та літієві батареї. Буквально «батарея» — це «резервуар» електрики, пристрій, який накопичує електричну енергію.

Принцип роботи паливного елемента — це пристрій, який перетворює хімічну енергію палива в електричну за допомогою окисно-відновних реакцій. На відміну від звичайних акумуляторів, які зберігають і вивільняють енергію під час заряджання та розряджання, паливні елементи можуть досягати безперервного розряду шляхом постійного додавання палива. Простими словами, його робочий процес полягає у виробленні електроенергії шляхом додавання палива для продовження окислювально-відновної реакції. Найпоширенішим паливом є водень, а водень і кисень на позитивному та негативному електродах викликають окислювально-відновні реакції через електроліт. Під час процесу електрони проводяться від анода до катода, утворюючи таким чином струм.

Тому можна також сказати, що транспортний засіб на паливних елементах поєднує в собі характеристики автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння та транспортного засобу на літієвих акумуляторах. Він може не тільки підтримувати час роботи батареї, швидко поповнюючи паливо (водень), але також тому, що він в основному генерує електроенергію, а викиди є електролізом водню та кисню. Таким чином, вода, що утворюється в результаті ретроградної реакції води, може забезпечити швидке й ефективне заряджання, а також може відповідати справжнім вимогам захисту навколишнього середовища з нульовим викидом, компенсуючи недоліки як двигунів внутрішнього згоряння, так і літієвих батарей.

Процес розробки паливних елементів

У 1839 році британський фізик Вільям Гроув (William Robert Grove) виготовив перший паливний елемент. Теорія в журналі, Гроув перевірив і вдосконалив теорію наступного року після того, як її побачив, і опублікував ескіз конструкції паливного елемента в «Філософському журналі та журналі науки» в 1842 році.

Розробка Grove використовувала розчин сірчаної кислоти як електроліт, у формі, більш схожій на сучасні свинцево-кислотні батареї. Лише в 1955 році після вдосконалення В. Томаса Грабба, інженера-хіміка з електротехніки, справді з’явився паливний елемент, у якому в якості електроліту використовувалася іонообмінна мембрана з сульфованого полістиролу, а через три роки його колега з General Electric Леонард Далі Нідрах вніс платину в обмінну мембрану як каталізатор реакції відновлення та назвав її «паливний елемент Ґрабба-Нідраха», що наразі заклало фундаментальний прототип сучасного паливного елемента PEM.

Під час спільної розробки NASA і General Electric у більш пізній період паливні елементи також використовувалися в багатьох комерційних проектах і аерокосмічних проектах. Джерело води. У 1991 році американський вчений Роджер Е. Біллінгс (Roger E. Billings) успішно виготовив перший автомобіль на водневих паливних елементах — LaserCel 1, який офіційно відкрив прелюдію до автомобілів на водневих паливних елементах. .

Перший автомобіль на паливних елементах, створений Роджером Біллінгсом - LaserCel 1, можна побачити, що прототипом є оригінальний Ford Fiesta

На даному етапі застосування технології паливних елементів у світі вступило в стадію розвитку індустріалізації, але найбільш широко використовується побутова теплоелектрогенерація. В Японії цього продукту було продано понад 400 000 одиниць, і він уже економічний. Саме Toyota Mirai і Hyundai NEXO дійсно привели до індустріалізації автомобілів на паливних елементах. У 2014 році Toyota оголосила, що загальна вартість паливних елементів впала до 1/20 від вартості 2008 року, який став поворотним моментом у глобальній індустріалізації автомобілів на паливних елементах. Китай все ще перебуває на етапі перевірки паливних елементів, тоді як Сполучені Штати перевіряють за допомогою широкомасштабного застосування вилкових навантажувачів.

Переваги та недоліки паливних елементів

Позбавлення обмежень ресурсів і навколишнього середовища є основною метою розвитку нової енергетики. По-перше, водень має широкий спектр джерел і не обмежений ресурсами. В даний час каталізатор паливних елементів використовує ресурси платини, але в порівнянні з 30 кг карбонату літію, необхідних для кожного транспортного засобу з літієвими батареями, споживання платини паливними елементами обчислюється в грамах, а відновлення платини досягає більше 90%, і вартість відновлення нижча, ніж вартість видобутку ресурсів, тому паливні елементи в основному не підпадають під обмеження ресурсів.

По-друге, з точки зору піку викидів вуглецю, використання зеленої електроенергії для виробництва екологічно чистого водню може справді досягти екологічних подорожей. Транспортні засоби на паливних елементах споживають водень і виділяють воду, а процес відновлення платини майже не забруднює навколишнє середовище.

По-третє, споживачів більше хвилює враження від водіння. Додавання водню в транспортний засіб на паливних елементах займає близько 3-5 хвилин (комерційні транспортні засоби протягом 15 хвилин), і цього може вистачити приблизно на 600-800 км, і він може запускатися нормально при температурі нижче мінус 30 градусів, і немає проблеми з акумулятором втрата потужності. Очевидно, що в холодних регіонах зменшується багато занепокоєння. Початковий план для Зимових Олімпійських ігор у Пекіні не передбачав автомобіль на паливних елементах. Його було змінено на транспортний засіб на паливних елементах, оскільки літієві батареї не підходили для низьких температур у Яньціні та Чжанцзякоу. Цього разу 1200 автомобілів на паливних елементах добре підтвердили цю продуктивність.

Четверте – безпека. Сам паливний елемент не накопичує енергію, тому безпека в автомобілі відносно висока.

Недоліком є ​​те, що воднева енергетика є найлегшим газом, яким дуже важко керувати, а вимоги безпеки в процесі зберігання та транспортування також високі, а відповідні витрати на зберігання та транспортування є відносно високими. Це найбільший недолік розвитку водневої енергетики. Це також сприяло розвитку різних технологій зберігання водню, включаючи рідкий водень, твердотільний накопичувач водню та зберігання водню органічних сполук.

Поточний стан і різні шляхи транспортних засобів на паливних елементах

Сценарії застосування паливних елементів досить багаті, такі як кораблі, навантажувачі, ракети, літаки, розподілені джерела живлення тощо. Причина, чому транспортні засоби на паливних елементах отримали більше уваги, полягає в тому, що їх комерційний ринок відносно широкий. Після зрілості швидкість впровадження та популяризації є відносно швидкою та може мати величезний вплив на всю галузь.

Незважаючи на те, що воднева енергетика та паливні елементи були розроблені та введені в комерційну сферу протягом багатьох років, вони все ще далекі від повсякденних споживачів. Автомобілі на водневих паливних елементах можуть ефективно скоротити цю відстань і покращити притаманні споживачам погляди на водневу енергію.

Проте є певні відмінності в шляхах розвитку різних країн. Прототипи, розроблені великими автовиробниками на початку, — це всі легкові автомобілі, а моделі масового виробництва в Японії та Південній Кореї також є легковими автомобілями, але Китай і Сполучені Штати — це переважно комерційні автомобілі.

Відколи Біллінгс створив перший автомобіль на паливних елементах, багато виробників також побачили ринкові перспективи та потенціал захисту навколишнього середовища водневої енергії. Після входу в 21 століття великі виробники також випустили кілька концептуальних автомобілів на водневих паливних елементах або тестовий автомобіль, але в більш пізній період через бурхливий розвиток ринку літієвих батарей багатьом виробникам довелося тимчасово відкласти або скасувати паливні елементи. план автомобіля.

У зв’язку зі зростанням вартості літієвих ресурсів деякі основні автовиробники поступово повернулися до виробництва автомобілів на паливних елементах в останні роки, наприклад Toyota, Honda, Nissan, Daimler, BMW, Hyundai, Kia, GM тощо, оголосили про план розвитку. для автомобілів на паливних елементах.

Згідно зі статистичними даними журналу «Car and Drive», станом на 2022 рік наразі в Каліфорнії їздить близько 15 000 автомобілів на водневих паливних елементах, а з розвитком водневих заправних станцій і систем зберігання та транспортування водневої енергії стало Вважається, що транспортні засоби на паливних елементах будуть поступово зростати.

Крім Японії, Каліфорнія наразі є найбільшим ринком Mirai

Це також один із двох ринків у світі, де автомобілів на паливних елементах було продано понад 10 000 одиниць.

Наше дослідження водневих автомобілів не обмежується паливними елементами. Як BMW, так і Mazda випустили гібридні водневі моделі та запустили їх як дрібносерійні моделі масового виробництва. Однак через технічні причини та суворі умови заправки воднем на той час ці моделі можуть бути представлені лише на великому автомобільному ринку з річним випуском десятків мільйонів.

Але в останні роки, з демонстрацією та застосуванням водневої енергетики, чи то технологічний прогрес, чи будівництво водневих заправних станцій, ентузіазм щодо цих колись покинутих технічних маршрутів знову запалився. 15 червня 2021 року Honda оголосила про закриття заводу Sayama в Японії та припинення виробництва автомобіля CLARITYFUELCELL на водневих паливних елементах. Електромобіль вироблятимуть у високопродуктивному виробничому центрі в Огайо, США.

Останніми роками Toyota також постійно тестує моделі водневих двигунів внутрішнього згоряння як технічний резерв. Звичайно, цього разу ми в основному говоримо про автомобілі на паливних елементах. Що стосується водневих двигунів внутрішнього згоряння чи водневих гібридів, якщо вам цікаво, ми можемо знайти іншу можливість поговорити детальніше.

І BMW, і Mazda випустили водневі гібридні моделі. Серед них BMW Hydrogen 7 випустила версії двох поколінь E38/E65, тоді як Mazda RX8 Hydrogen RE випустила масово 30 одиниць. Перший автомобіль автора — Mazda RX8, тому, коли вийшла версія на водневому двигуні, я якийсь час звернув на неї особливу увагу.

Водневий двигун внутрішнього згоряння V8, який спільно розробили Toyota і Yamaha

Це може змусити багатьох друзів, які люблять транспортні засоби великого об’єму, побачити надію, що вони все ще зможуть керувати автомобілями великого об’єму в майбутньому.

Після того, як я змінив кар’єру та почав розуміти індустрію водневої енергетики, під час спілкування з друзями багато людей запитували мене чому нам зараз важко побачити автомобілі на паливних елементах. Зазвичай я даю їм односторонні пояснення. Напрямок розвитку автомобілів на паливних елементах – це переважно комерційні транспортні засоби, а не пасажирські. Насправді, якщо ви звернете увагу на деякі демонстраційні міста з водневою енергією, хоча пасажирські транспортні засоби на паливних елементах ще не видно, там можуть бути санітарні транспортні засоби, автобуси, сміття Транспортні засоби на паливних елементах комерційних транспортних засобів, таких як вантажівки та логістичні транспортні засоби, вже їздять по дорозі .

Крім того, оскільки нинішні водневі заправні станції та будівництво мережі трубопроводів водневої енергії не можуть задовольнити потреби ринку легкових автомобілів, легкові автомобілі лише частково пілотуються в Гуандуні та Шанхаї. З існуючою інфраструктурою легкові автомобілі будуть широко просуватися. Умов поки що немає. Відповідно до статистики, обсяг продажів автомобілів на паливних елементах у моїй країні з січня по жовтень цього року становить близько 3000, з яких обсяг продажів легкових автомобілів становить менше 5%. Таким чином, спочатку накопичення технічного досвіду в галузі за допомогою комерційних транспортних засобів і збільшення інвестицій у будівництво інфраструктури буде більш сприятливим для майбутнього розвитку ринку легкових автомобілів на паливних елементах.

Водневі паливні елементи не тільки мають характеристики тривалого терміну служби батареї, але й не залежать від температури та навколишнього середовища. Його можна використовувати як ідеальний спосіб приводу для виробничих інструментів. Однак через нинішню високу ціну на водень все ще потрібна значна політична підтримка для стимулювання ринку.

Незважаючи на те, що деякі виробники легкових автомобілів у моїй країні випустили моделі на паливних елементах, поточний напрямок розвитку країни – це в основному комерційні транспортні засоби, такі як SAIC, Weichai, Foton, Yutong, Zhongtong, Jiangling, Mercedes-Benz тощо, які активно розробляють водневі двигуни. механічні комерційні транспортні засоби. Дивлячись на виробничий ланцюг вгору та вниз за течією, хоча деякі технології в моїй країні відносно відстають від тих самих галузей у Європі та Сполучених Штатах, оскільки поточна ринкова політика моєї країни більше схиляється до комерційних транспортних засобів, технічний поріг, який потрібно подолати, вищий . З поступовим розширенням ринку, у технології Поступово розвиваючись, вартість буде поступово знижуватися.

Вузьке місце індустріалізації автомобілів на паливних елементах

Як згадувалося вище, найбільшим вузьким місцем транспортних засобів на паливних елементах на даному етапі все ще є постачання водню. Як приклад ми можемо взяти поточну кількість АЗС і пробіг доріг у Пекіні. На даний момент протяжність доріг у Пекіні становить близько 22 300 кілометрів, а заправок близько 1030. Зараз використовується лише 14 водневих заправок. Заправку можна знайти кожні 21,6 кілометра, а водневу заправку – кожні 1592 кілометри.

Зараз більшість водневих заправних станцій Пекіна розташовані в передмістях, які колись були допоміжними об’єктами для зимових Олімпійських ігор. Незважаючи на те, що Пекін наразі планує побудувати та ввести в експлуатацію 74 водневі заправні станції до 2025 року, у порівнянні з кількістю заправних станцій все ще більш ніж на порядок гірше.

Південна Корея є країною з найшвидшим просуванням автомобілів на паливних елементах у світі. Зараз у Південній Кореї експлуатується понад 23 000 транспортних засобів на паливних елементах, а в моїй країні – близько 5 000 автомобілів. Наразі моя країна має 290 водневих заправних станцій, тоді як у Південній Кореї лише понад 120 водневих заправних станцій. До третього кварталу цього року загальний обсяг продажів у моїй країні становив 11 027, а загальний обсяг продажів у Південній Кореї становив 31 596. Розраховане за співвідношенням сукупних продажів автомобілів на паливних елементах до водневих заправних станцій, частка транспортних засобів у моїй країні становить 38,02:1, а співвідношення станцій у Південній Кореї – 263,3:1.

Але практична проблема полягає в тому, що наша країна має велику територію. 290 водневих заправних станцій, запланованих місцевим урядом, розподілені в 27 провінціях на території 960 квадратних кілометрів по всій країні. Середня площа кожної водневої АЗС становить 33 100 квадратних кілометрів. , навіть якщо водневі АЗС розташовані у відносно економічно розвинених районах, ми розраховуємо на основі 50% території країни, а середній радіус випромінювання кожної водневої АЗС становить 16 550 квадратних кілометрів; у той час як 120 водневих заправних станцій Південної Кореї розташовані на 103 300 квадратних кілометрах. На території країни середня площа випромінювання кожної водневої заправної станції становить лише 860 квадратних кілометрів.

Провінція Гуандун моєї країни має 179 700 квадратних кілометрів, що перевищує загальну площу Південної Кореї. Можна помітити, що навіть провінція Гуандун, яка має найбільше водневих заправних станцій, не може досягти такої щільності, як водневі заправні станції Південної Кореї. Спочатку водневі заправні станції в провінції Гуандун були в основному зосереджені в місті Фошань. Щільність водневих заправних станцій у цьому районі вже дуже висока, але існує дефіцит як водню, який виробляється з викопних джерел енергії, так і водню, що є побічним продуктом промисловості, а виробництво водню з відновлюваних джерел енергії ще не почалося. Вартість водню занадто висока, що призводить до втрати робочих транспортних засобів, а величезний дефіцит водню не може задовольнити робочий попит водневих заправних станцій при повному навантаженні.

Крім того, оскільки загальний ступінь комерціалізації глобального ланцюга промисловості паливних елементів невисокий, а масштаб недостатньо великий, відносна вартість є відносно високою. І якщо паливний елемент хоче якомога більше досягти ідеального стандарту захисту навколишнього середовища з нульовим викидом, окрім джерела водню має бути зелений водень, вироблений зеленою електроенергією, екологічна електроенергія також повинна використовуватися якомога більше у виробництві процес обладнання.

Незважаючи на те, що нинішні проекти вітроенергетики та фотоелектричної зеленої енергетики в моїй країні розвиваються швидкими темпами, порівняно з теплоенергією, все ще існує певна різниця в цінах на електроенергію в деяких регіонах, де вітроенергетика та фотоелектрична енергетика недостатньо розвинені. Для особистого користування може бути невелика різниця, але в промисловому виробництві це все одно збільшить загальну вартість виробництва.

Майбутнє транспортних засобів на паливних елементах

Зараз, хоча деякі компанії в моїй країні, такі як Guangzhou Automobile, Hongqi, Changan, Haima, SAIC тощо, розробляють пасажирські автомобілі на паливних елементах, а Toyota також розпочала продажі Mirai II у Китаї, ціна, як правило, вищий, ніж у транспортних засобів з літієвими акумуляторами, і найважливішим є те, що споживачам доводиться стикатися з проблемою, пов’язаною із труднощами заправки водневим паливом.

Незважаючи на те, що транспортні засоби на паливних елементах ще не з’явилися на ринку транспортних засобів з новою енергією, збільшення продажів більше залежить від розробки політики, але це сам по собі транспортний засіб з новою енергією з моменту вступу в силу.

Процес, який необхідно відчути на ринку, полягає в тому, щоб поступово вирішувати відповідні об’єкти підтримки інфраструктури шляхом випробування комерційних транспортних засобів на відносно фіксованому маршруті та продовжувати збільшувати щільність.

З точки зору розвинутих країн, таких як Європа, Сполучені Штати, Японія та Південна Корея, усі вони починали з транспортних засобів на паливних елементах на ранній стадії, але зіткнулися з вузькими місцями в постачанні водневої енергії в процесі розробки, а потім повернули назад інвестувати у проекти з виробництва, зберігання та транспортування водню. Нинішня ситуація в моїй країні схожа. Протягом останніх двох десятиліть увага та інвестиції були зосереджені на паливних елементах, але проекти водневої заправної станції та електролізера значно прискорилися за останні два роки.

У той же час, з технологічним прогресом і великомасштабним розвитком, виробничі витрати вгорі та внизу промислового ланцюга можуть бути значно зменшені. Транспортні засоби на паливних елементах покладаються на захист навколишнього середовища, зручне поповнення енергії та багато переваг, на які не впливають фактори навколишнього середовища. Коли інфраструктурні умови будуть зрілими, ситуацію можна відкрити.

Судячи з планів водневої енергетики, опублікованих різними регіонами, у демонстраційний період у більшості регіонів все ще переважають комерційні автомобілі до 2025 року, а плани на 2030 рік у деяких регіонах включають легковий транспорт. Однак ми вважаємо, що розробка легкових транспортних засобів на паливних елементах — це скоріше ринок, на якому домінують виробники автомобілів після того, як інфраструктура є відносно зрілою, а вартість відповідає очікуванням ринку. До 2030 року вартість паливних елементів впаде з нинішніх 4000 юанів/кВт до 1000 юанів/кВт, вартість водню знизиться до 25 юанів/кг. Завдяки чудовим характеристикам паливних елементів ми маємо хороші очікування щодо перспектив їх застосування.

Щодо того, чи стануть майбутнім паливні елементи чи водневі системи внутрішнього згоряння, між цими двома продуктами немає великого конфлікту. Я думаю, що остаточний результат споживчого ринку ще мають визначити споживачі.